シュレーディンガーの猫の話の流れを分かりやすくまとめる。量子の世界の不可思議な話

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量子力学における有名な思考実験「シュレーディンガーの猫」。

フィクションの世界では「箱を開けるまで猫が生きているか死んでいるか分からない→何事も蓋を開けてみなきゃ分からない」という話だと誤解されがちですが、実際にはそういう話ではありません。

シュレーディンガーの猫とは、蓋つきの箱の中に「猫」と「1時間以内に50%の確率で崩壊する放射性原子」と「原子の崩壊を検出すると青酸ガスを出す装置」を入れた場合、1時間後には「生きている状態と死んでいる状態が1:1で重なり合った猫」という不可思議な存在が出てくるのではないか?という思考実験です。

今回は、この「シュレーディンガーの猫」の話の流れについて書いていきます。

photo credit: GS-Bob

「シュレーディンガーの猫」は批判するための思考実験

まずおさえておきたいのが、「シュレーディンガーの猫」は単体で存在する話ではなく、ある話の流れから出てきた「批判するための思考実験」であるということ。

「君たちのその話が正しいとしたら、生きていると同時に死んでもいる猫が存在することになるよ?」と相手の理論の問題点をつくための「たとえ話」なんです。

シュレーディンガーは「箱の中には生きているし死んでもいる猫が存在する」というとんでもない理論を正しいと思って唱えたわけではありませんし、実際に猫で危険な実験しようという話でもありません。

ミクロな量子とマクロな僕たち

では、「シュレーディンガーの猫」は、何を批判するために出てきた思考実験なのか?

それは、量子力学の確率解釈です。

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量子というのは、簡単に言うと「ものすごく小さい、極微な存在」のこと。

ミクロ(微視的)な世界における物理量の最小単位を指します。

化学の授業で「電子・原子・分子」を習いましたよね。
例えば、僕らから見ると水はサラサラとしていますが、実際には水分子という非常に小さな粒の集まりで出来ています。
この分子を構成する原子・電子1つ1つを見ていくのが「量子」の世界です。

これに対し、僕たちが見慣れている「普通の大きさ」はマクロ(巨視的)な世界と呼ばれます。

「厳密にどこからがミクロで、どこからがマクロなのか」の線引きは非常に難しい問題になってくるのですが、とりあえず「水分子1つはミクロな世界・コップ1杯の水はマクロな世界」と考えると分かりやすいかと思います。

二重スリット実験

量子のミクロな世界では、僕たちが生活しているマクロな世界では考えられない現象が起きることが分かっています。

代表的なのが、二重スリット実験。

細かい内容は上の動画を参照してもらうとして、簡単にまとめると、この実験によって「量子は観測されていない時と観測されている時とでは違った動きをする」ことが分かったんです。(※人間の視線や意識とは関係ない)

量子は、「観測機器によって観測される」だけで状態が変わってしまう。

「なにそれ、意味が分からない」と思うのも当然です。こんなものは、僕たちが生活するマクロの世界には存在しないのですから。

しかし、実際に何度実験しても「そうとしか説明がつかない実験結果」が返ってきたからには、ミクロの世界には「マクロの世界では想像もつかない現象」が存在するのだと考えるしかない。

そこで頭の切れる量子力学者たちは、こういった実験で得られた様々な情報を元に、量子に関する整合性と実用性のある理論を構築しました。

量子は観測されていないとき、様々な状態が『重なり合った状態』で存在しうる。この『重なり合った状態』は、観測機器によって観測される事でいずれかの状態に収束する

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『重なり合った状態』というのは、複数の状態を同時に持っていることを指す特殊な表現です。(※重ね合わせの状態とも言います)

例えば「原子のスピンは、上向きの状態と下向きの状態がそれぞれ50%の確率で重なり合っている」といった表現の場合、「原子は上向きスピンと下向きスピンの両方の状態を同時に持っている」ことを意味します。

これが、量子力学の確率解釈です。

「よく分からないから、身近なものでたとえて」と言われるかもしれませんが、僕たちのマクロな世界には『重なり合った状態』のものは無いので、どう喩えても誤解を生む間違った説明になってしまいます。

なので、先のスピンの例のようにミクロな世界の具体例として「例える」ことは出来ても、マクロな世界の比喩として「喩える」のは難しいんです。

・箱の中のコインは表と裏が重なりあった状態?→見えていないだけで既に確定しています。
・サイコロを投げたら転がっている間は全ての目が重なりあった状態?→転がっている間は、どの目でもありません。
・白と黒が重なりあった状態は灰色?→灰色は白と黒を混ぜた色であって、重なりあった状態とは違います。

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このようにマクロの世界で喩えることが難しい奇妙な説ではありますが、こう考えれば量子の不可思議な挙動を説明できると同時に、量子コンピュータなどの「量子論を利用した機器」の実用化にも有用なのです。

「でも、それってやっぱり変じゃない?」

もちろん、この説に異論を唱えた人もたくさんいました。

その中の1人がエルヴィン・シュレーディンガーです。

シュレーディンガーは、この説の奇妙さを分かりやすくするために、ミクロな世界の奇妙な挙動をマクロな世界に拡張する思考実験を考えました。

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いま、箱の中に「1時間以内に50%の確率で崩壊する放射性原子」があったとします。

先ほどの量子力学の確率解釈に照らして考えると、1時間後に箱の中には「放射性原子が崩壊しない状態と崩壊する状態が1:1で重なり合った状態」が存在することになります。

「崩壊していると同時に崩壊していない」というのは直感的には意味が分かりませんが、実験結果と整合性はありますし「ミクロな世界では不思議なこともあるもんだな」と思えば納得できない事もありません。

しかし、この箱の中に「猫」と「原子の崩壊を検出すると青酸ガスを出す装置」もあったとしたらどうでしょう?

①1時間後に箱の中には「放射性原子が崩壊しない状態と崩壊する状態が1:1で重なり合った状態」が存在する
②原子の崩壊を検出すると装置が青酸ガスを出し、猫が死ぬ
③つまり、1時間後に箱の中には「猫が生きている状態と死んでいる状態が1:1で重なり合った状態」が存在する
④そして、観測されることによって「猫が生きている状態」か「猫が死んでいる状態」に収束する

…1時間後に箱の中には「猫が生きている状態と死んでいる状態が重なり合った状態」が存在する。

つまり、生きていると同時に死んでもいる猫が存在する?

それってやっぱり変じゃない?

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このように、ミクロな世界での奇妙な量子現象をマクロな世界に拡張することにより「直感的には意味が分からないけど、整合性はあるから納得できる量子論」の問題点(欠陥)をついた思考実験。

それが、シュレーディンガーの猫です。

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もちろんこれは思考実験でしかないので、現代の技術では「シュレーディンガーの猫が存在するのか」を実験することはできません。

しかし、もしこのような装置を仮に作ることが出来たとしたら、生きている状態と死んでいる状態が「重なり合った状態」の猫の存在を認める必要が出てきます。

そして、それは我々の常識からしたら「まったくバカげた状態」である、というのがシュレーディンガーの主張なのです。

まとめ:シュレーディンガーの猫は、ミクロな世界での量子現象をマクロな世界に拡張することで、「量子力学の確率解釈」論の問題点を分かりやすくした思考実験である

すべては量子の不可思議な現象を「どう解釈するか」

おそらく、この記事を読んでいる方の一番の疑問は「結局、シュレーディンガーの猫は存在するの?存在するとしたらどんな状態なの?」に尽きると思います。

ただ残念ながら、先にも述べた通りシュレーディンガーの猫は思考実験に過ぎず、現代の技術では確かめることが出来ないので、いくら「まったくバカげた状態」と言おうとも「絶対に存在しない」とは断定できません。つまり、未解決の問題なんです。

「重ね合わせの状態」の説が微妙に間違っていたという可能性もゼロではないでしょうし、「観測」の定義の問題かもしれません。「ミクロとマクロの繋ぎ合わせ方」の問題なのかもしれませんし、実は「生きていると同時に死んでもいる猫は存在しうる」のかもしれません。

今できるのは、二重スリット実験などで明らかになった量子の不可思議な現象を「どう解釈するか」でしかないのです。

実際、「観測によって、生きている猫を観測した観測者と死んでいる猫を観測した観測者の重ね合わせ状態に分岐する」という多世界解釈(エヴェレット解釈)や、そこからさらに話が飛んで「パラレルワールドがあるんだ!」なんて解釈もあります。

「まったくバカげた状態」であることを分かりやすくするための「たとえ話」のはずが、それを前提に話を進める理論が現れるとは、シュレーディンガーも予想できなかったのではないでしょうか。

参考図書

量子論―相対論と双璧をなす物理学の大理論